铌酸锂薄膜高速电光开关的设计与制备_唐杰.pdf

第 43卷 第 1期2023年 3月光 电 子 技 术OPTOELECTRONIC TECHNOLOGYVol.43 No.1Mar.2023铌酸锂薄膜高速电光开关的设计与制备唐杰1，2，3，王子彦4，钱坤4，何晓舟4，潘时龙3，王琛全1，2，顾晓文1，2，钱广1，2，孔月婵1，2，陈堂胜1，2（1.微波毫米波单片集成和模块电路重点实验室，南京 210016；2.南京电子器件研究所，南京 210016；3.南京航空航天大学 电子信息工程学院，南京 211106；4.空军装备部上海局，上海 200231）摘 要：基于硅基铌酸锂薄膜（Lithium Niobate on insulator，LNOI）材料平台，设计并制备了高速电光开关芯片，并实现了芯片的光纤耦合、管壳封装和性能测试。测试结果表明，该高速电光开关器件的开关速度达到 13.4 ns，消光比达到 31.8 dB。研究工作对未来研制光学延时芯片和波束形成网络芯片具有重要的支撑意义。关键词：铌酸锂薄膜；电光开关；光学波束形成中图分类号:TN256 文献标志码:A 文章编号:1005488X(2023)01000704Design and Fabrication of LNOI Based High-speed Electro-optic SwitchTANG Jie，WANG Ziyan，QIAN Kun，HE Xiaozhou，PAN Shilong，WANG Chenquan，GU Xiaowen，QIAN Guang，KONG Yuechan，CHEN Tangsheng(1.Science and Technology on Monolithic Integrated Circuits and Modules Laboratory,Nanjing 210016,CHN；2.Nanjing Electronic Devices Institute,Nanjing 210016,CHN；3.College of Electronic and Information Engineering,Nanjing University of Aeronautics and Astronautics,Nanjing 211106,CHN；4.The Shanghai Bureau of Air Force Equipment Department,Shanghai 200231,CHN)Abstract：An electro-optic switch was developed based on the lithium niobate on insulator（LNOI）platform.The structure of the LNOI waveguide，multimode interferometer（MMI）coupler and metal electrodes were carefully designed.The fabricated electro-optic switch chip was coupled with optical fiber arrays and packaged by using metal shell.The measured on-off switch time was less than 13.4 ns and the extinction ratio was about 31.8 dB.The results showed that LNOI based electro-optic switch was an excellent candidate for developing high performance integrated optical beamforming network chips used in microwave photonic radars.Key words：LNOI；electro-optic switch；optical beamformingDOI：10.19453/ki.1005488x.2023.01.002收稿日期：2022-10-14基金项目：国家重点研发计划资助项目（2022YFB2802702）；江苏省产业前瞻技术研发项目（BE2021030）；重点实验室基金项目（614280304012106）作者简介：唐 杰（1990），男，博士，高级工程师，主要研究方向为集成微波光子芯片；钱 广（1985），男，博士，高级工程师，主要研究方向为集成微波光子芯片；(E-mail:)王琛全（1993），男，硕士，工程师，主要研究方向为集成微波光子芯片。通讯作者研究与试制光 电 子 技 术第 43卷引 言光开关是实现光路切换的重要元器件，是构筑超宽带阵列化电子信息系统中光学波束形成网络的核心器件之一1-2，为确保波束形成网络具备快速波束赋型能力，通常要求光开关的切换时间达到百纳秒量级以内。目前，光开关的类型主要包括微机械式光开关、磁光开关、电光开关和热光开关等。在切换速度方面，电光开关是目前唯一可以达到百纳秒甚至皮秒量级的光开关。电光开关主要基于材料的电光效应、量子限制 Stark 效应或载流子注入实现外加电场对材料折射率的调控，常用的材料包括铌酸锂3、族化合物4、硅5及聚合物6等。其中，基于族化合物材料的波导型电光开关结构工艺相对复杂，传输损耗较大；聚合物电光材料稳定性相对较差，材料性能容易老化，电光性能随时间衰减严重。传统的铌酸锂电光开关主要包括体块晶体型或掺杂波导型7。其中铌酸锂晶体型电光开关驱动电压高、体积大，难以集成化；掺杂铌酸锂波导型电光开关由于波导结构采用扩散或质子交换工艺制备，属于渐变折射率光波导，其芯包层折射率差很小，光场模式尺寸大，光强密度低，电光相互作用弱，器件整体尺寸较大。薄 膜 铌 酸 锂（Lithium Niobate on Insulator，LNOI）作为一种新兴的光子集成芯片平台8，其芯层为一层厚度百纳米量级的铌酸锂脊型光波导，上下包层均为二氧化硅（SiO2），因此具有较大的芯包层折射率差，使得其光场模式尺寸小，光强密度高，可显著增强电光相互作用，从而能够实现小体积高性能的电光开关。文章基于 LNOI 材料平台设计并制备了 22高速电光开关芯片，并实现了光纤耦合和管壳封装，通过实验测得器件开关速度为 13.4 ns，消光比达到 31.8 dB，为未来实现集成化光延时芯片和波束形成芯片提供了技术基础。1 器件设计所设计的高速电光开关基于 x 切 LNOI 材料，其结构如图 1（a）所示，包含传输光路和共面波导开关 电 极，其 中 传 输 光 路 为 马 赫曾 德 尔 干 涉 仪（MachZehnder Interferometer，MZI）结构，由 2 个输入端口、2 个输出端口、2 个 22 多模干涉耦合器（MultiMode Inferometer，MMI）以及两个直波导构成，两个直波导与共面波导电极组成电光相互作用区，实现推挽电光调制，如图 1（b）所示。光信号由开关芯片任一输入端口输入，经 22 MMI 耦合器分为幅度相等，相位差相差 90的两束光，分别进入两个直波导，通过在开关电极上施加开关电压信号，对两个直波导中光信号的相位进行调控，两个直波导中的输出光经 22 MMI 耦合器耦合并根据其相位差实现两个输出端口输出功率的调谐。当开关信号调谐直波导中两束光相位差变化量为 180时，输出光将切换输出端口，实现光路切换功能。传输光路中波导采用脊型波导结构，结合前期 LNOI 光波导刻蚀结果，波导刻蚀后侧壁倾 角 约 为 70，设 计 脊 高 0.3 m，平 板 波 导 厚 度0.3 m。通过仿真得到波导脊宽与模式有效折射率关系曲线，如图 2 所示，可以看出当脊底宽大于1 m 时，出现 TE高阶模式。因此，文章设计波导脊底宽为 1 m，可确保波导 TE模单模传输。22 MMI耦合器是光开关传输光路中的重要部分，它由输入锥形波导、多模干涉区、输出锥形波导构成，将输入光信号无损、均匀的分成两部分是确保光开关具有低损耗和高消光比的关键。通过图 1LNOI 22电光开关结构图Fig.1Structure of LNOI based 22 electro-optic switch图 2波导脊宽与模式有效折射率关系Fig.2The relationship between effective refractive index and ridge width of the waveguide8第 1期唐杰，等：铌酸锂薄膜高速电光开关的设计与制备对其不同结构参数下光场传输特性的仿真可得到最优的结构参数，当多模干涉区宽度 9 m、长度72.5 m，输入/输出波导间距 3.15 m，锥形波导长度 15 m、宽度 2.3 m 时可获得最优光场传输效果。基于上述结构参数对 MMI耦合器和 MZI传输光路的光场传输特性进行了仿真分析，结果如图 3所示，可以看出其具有优良的光场传输特性。在 LNOI 电光开关的电极设计中，由于金属对光具有强烈的吸收，因此电极间距不能太小，需在确保金属电极不影响光波导中光场分布的情况下，尽可能减小电极之间的间距，以提升电光相互作用的效率。通过仿真优化后的金属电极间距设计为5 m，其电场分布和波导中 TE模式光场分布如图 4所示，可以看出金属电极对光场分布基本无影响。2 芯片制备高速电光开关芯片的制备基于 600 nm 厚度 x切 LNOI 晶圆材料，采用前期开发出的多项目晶圆（Multi Project Wafer，MPW）流片工艺，其制备工艺流程如图 5 所示。首先在 LNOI 晶圆表面涂胶、光刻、显影，将传输光路图形转移至光刻胶上；利用电子束蒸发工艺沉积一层 Ti/Ni金属，经过光刻胶剥离工艺，将传输光路图形转移至金属层，形成刻蚀掩膜；基于反应离子刻蚀机采用 SF6/Ar混合气体对铌酸锂进行刻蚀，刻蚀深度 300 nm，将金属掩膜图形转移至铌酸锂层；之后二次涂胶、光刻、显影，将电极图形转移至光刻胶上，利用电子束蒸发工艺沉积一层 Ti/Au 金属，经过光刻胶剥离工艺，制备出金属电极；再利用化学气相沉积工艺制备一层 2.0 m 厚度的二氧化硅上包层；最后三次涂胶、光刻、显影，将电极开窗图形转移至光刻胶上，并采用反应离子刻蚀工艺对上包层二氧化硅进行刻蚀，使金属电极上用于金丝键合的区域裸露。基于光刻胶剥离工艺制备出的 MMI耦合器区域金属掩膜如图 6（a）所示，刻蚀得到的 LNOI脊型图 3光场传输特性Fig.3Simulation results of optical field propagation图 4加载金属电极后 LNOI波导中 TE 模式光场分布和电极间电场分布Fig.4The TE polarized optical field and electric field distribution of the LNOI waveguide with electrodes图 5LNOI高速电光开关工艺流程图Fig.5The fabrication process of LNOI based high-speed electro-optic switch图 6LNOI高速电光开关芯片Fig.6The photography of fabricated high-speed electro-optic switch9光 电 子 技 术第 43卷波导如图 6（b）所示，可以看出其具有良好的表面形貌。制备完成的 LNOI高速电光开关芯片如图 6（c）所示。3 封装测试利用双通道光纤阵列对 LNOI 电光开关的输入/输出端口进行耦合，并采用金属管壳对 LNOI电光开关芯片进行封装，封装结构示意图如图 7所示。开关驱动信号通过焊接在管壳上的射频玻璃绝缘子由外部的射频接口耦合进入管壳内的微波共面波导转接板，再通过金丝键合实现微波共面波导转接板与光开关芯片上金